第一作者：张竞哲
通讯作者：张海军、李发亮、黄亮
通讯单位：武汉科技大学
论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125889
近日，武汉科技大学张海军教授团队牵头，联合华中科技大学、南方科技大学及英国埃克塞特大学研究人员，在硝酸盐资源化利用领域取得重大突破。该团队设计了Pd-ZnFe2O4@Carbon@MoS2核壳结构催化剂，有效结合了ZnFe2O4@Carbon的微波吸收能力、MoS2的硝酸盐吸附性能以及Pd纳米簇的活化能降低效应，首次实现微波驱动下硝酸盐（NO3⁻）向氨（NH4+）的高效定向转化。在优化条件下，该技术氨产率高达20.04 mmol h−1 L–1，性能远超多数光催化与电催化方法。更值得关注的是，该催化剂在连续 10 次循环使用后，硝酸盐转化率仍保持 93.67%，氨选择性维持 90.61%，且能处理浓度高达2157 mg⋅L−1的盐硝酸盐废水，在 1000 mL 大规模反应中依旧稳定高效。这项研究成果以 “High-efficiency microwave catalytic nitrate-to-ammonia conversion on Pd-ZnFe2O4@Carbon@MoS2” 为题，于 2025 年 9 月发表在环境催化领域顶级期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为硝酸盐废水 “以废制宝” 提供了全新技术路径，也为推动绿色氮循环与可持续发展目标落地提供了重要支撑。
氨是现代农业和化工的基石，但其传统生产方式（如哈伯法）面临高能耗、高碳排放的挑战。同时，水体硝酸盐污染问题突出，传统处理方法（如反渗透、离子交换）存在成本高或二次污染风险。将硝酸盐废水转化为氨资源，既能实现废弃物资源化，又能缓解传统氨生产的能源与环境压力，已成为环境与能源催化领域的前沿课题。
现有硝酸盐还原技术（如光催化、电催化）存在效率低、设备复杂或反应条件苛刻等问题。因此，开发一种操作简便、高效稳定、可规模化的硝酸盐-氨转化技术，成为环境催化与资源循环领域亟待突破的核心难题。微波催化作为一种新兴技术，凭借其独特的 “热点效应” 可将微波能量高效转化为热能，生成高活性“热电子”，在有机污染物降解、重金属处理等领域已展现优势，但将其应用于硝酸盐-氨转化的研究仍处于空白阶段，具备巨大探索价值。
1. 突破传统催化局限：微波驱动高效转化
该技术彻底摆脱光催化的光依赖（遮光效应）与电催化的电极限制（制备过程复杂），借助 Pd-ZnFe2O4@Carbon@MoS2催化剂的协同作用实现高效转化：ZnFe2O4@Carbon具备优异微波吸收能力，可快速将微波能量转化为局部高温 “热点”；MoS2包覆层显著提升催化剂对硝酸盐的吸附能力（吸附率从 4.16% 提升至 34.56%）；Pd纳米簇大幅降低硝酸盐还原反应活化能，同时抑制析氢竞争反应。
2. 催化性能卓越：产率高且稳定性强
在性能表现上远超多数传统催化技术，氨产率高达20.04 mmol h−1 L–1，总氨产量达3.31 mmol h−1。催化剂在10次循环后仍保持90%以上的活性和选择性。
3. 广适实用：场景适配性与规模化潜力突出
该策略适用于高浓度硝酸盐废水（最高达2157 mg L-1），并可扩展至1000 mL反应体系，显示出强大的工业应用潜力。甚至在酸性条件下仍能高效运行，且无氢气析出，避免副反应。
图1：光催化、电催化和微波催化反应机理对比；催化剂设计与微观结构
设计思路：研究团队巧妙构建了“微波吸收-吸附-催化”三位一体的纤维状分级结构。ZnFe2O4（ZFO）核负责高效吸收微波能，碳中间层起到保护和导电桥梁的作用，外层花瓣状MoS2用于富集硝酸根离子（NO3-），最后负载的Pd纳米团簇（~2.4 nm）作为关键催化位点，显著降低反应能垒。
图2：Pd-FCM催化剂微波催化还原NO3−合成NH4+性能
高效制氨：Pd-FCM催化剂在60分钟内实现了99.11%的NO3-转化率和93.92%的NH4+选择性，且无副产物H2和NO2-生成。
同位素验证：使用15NO3-作为原料进行反应，产物中检测到高浓度的15NH4+，确证了氨分子完全来源于硝酸盐还原，而非其他氮源。
循环稳定性：经历10次循环后，催化剂的活性和选择性仅略有下降（NO3-转化率93.67%，NH4+选择性90.61%），展现出优异的稳定性。
优异的综合性能：与最新报道的光催化和电催化工作对比，该微波催化方法在总氨产量、反应规模（可轻松放大至1000 mL）和能耗（低至90.63 kWh/molNH4+）方面均展现出显著优势，具有较强的实际应用前景。
图3：Pd-FCM催化剂微波催化还原NO3−反应活性物种、微波吸收性能、在微波场中模拟加热和实际加热温度变化、“热点效应”验证实验；以及微波“热电子”激发示意图。
“热点”效应验证：通过COMSOL模拟和宏观实验（观察局部剧烈气泡和温度梯度）间接证实了微波场下催化剂表面存在局部超高温“热点”。
“热电子”驱动反应：捕获实验表明，反应由电子（e⁻）驱动。通过热电子发射理论计算出在“热点”高温下可产生足量的高能“热电子”，这些电子是还原NO3-的活性物种。
图4：理论计算揭示反应路径与协同机制
界面电子调控：DFT计算表明，Pd的引入显著降低了MoS2的功函数，使“热电子”更易迁移到催化剂表面参与反应。同时，Pd位点对H+的强吸附能力有效抑制了析氢副反应（HER），促进了NO3-的催化还原。
反应路径调控：NO3-优先吸附在Pd位点上，并通过一系列加氢步骤最终生成NH4+。计算表明，NO3-还原关键步骤*NOH的N位加氢能垒（0.39 eV）远低于O位加氢（生成N2的副反应路径，0.69 eV），提高了催化剂的NH4+选择性。
本研究提出了一种绿色、高效、易操作的微波催化硝酸盐还原制氨策略，不仅为废水处理提供了新思路，也为可持续氨合成开辟了新路径。未来可通过工业余热耦合和有机污染物协同处理等方式进一步提升能效与实用性。
Jingzhe Zhang, Yingjie Yu, Haijun Zhang, et al. High-efficiency microwave catalytic nitrate-to-ammonia conversion on Pd-ZnFe2O4@Carbon@MoS2 catalyst. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2026, 381: 125889.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125889
课题组主要研究方向为多孔陶瓷、耐火材料、纳米催化剂和材料计算。
课题组网站：http://www.advmater-wust.cn/
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